Микробная биотрансформация натуральных ароматических соединений (аннотация)Микробная биотрансформация натуральных ароматических соединений
Аромат и вкус являются одними из основных составляющих пищевых продуктов и лекарственных средств, привлекающих потребителей, поскольку они влияют на сенсорные свойства продукта.
Большинство ароматических соединений получают с помощью химических процессов, таких как синтез de novo или экстракция/очистка из фруктов, овощей и животных матриц. Биотехнологические процессы, основанные на активности микробных клеток или микробных экстрактов, представляют собой более естественную альтернативу для получения ароматических соединений.
Микробные ароматические соединения становятся все более популярными в связи с растущим потребительским спросом на экологически чистые и натуральные пищевые добавки. Действительно, микробная биотрансформация уже давно зарекомендовала себя как высокоэффективная технология, обладающая такими преимуществами, как специфичность реакции и экологическая чистота. Кроме того, существует документально подтвержденная польза для здоровья, обусловленная деятельностью микроорганизмов, например, получение молекул с антимикробными, функциональными и пробиотическими свойствами. Учитывая все эти преимущества, возрастает потребность в скрининге и исследовании новых микроорганизмов, а также в изучении метаболических путей, участвующих в микробном производстве ароматических соединений.
Кроме того, важно внедрять технологии, позволяющие повысить эффективность биологической трансформации путем клонирования, экспрессии и очистки ключевых ферментов микроорганизмов или создания высокоэффективных фабрик микробных клеток. В связи с этим данный обзор посвящен последним исследованиям в области микробной биотрансформации натуральных ароматических соединений с упором на оптимизацию процессов ферментации путем правильного использования как природных, так и инженерных штаммов микроорганизмов, а также разработки новых добавок и протоколов инокуляции. Данный обзор включает пять оригинальных научных статей, в подготовке которых приняли участие 43 автора.
Li M. et al. проанализировали влияние различных добавок на химический состав и качество ферментации нового белкового корма для животных, изготовленного из бумажной шелковицы (Broussonetia papyrifera L.). В частности, авторы обнаружили, что муравьиная кислота, эфирное масло Amomum villosum и молочнокислые бактерии изменяют структуру бактериального сообщества при силосовании шелковицы, что приводит к улучшению качества силоса. Помимо кормовой базы, полученные результаты имеют и более широкое значение, поскольку использование эфирного масла A. villosum увеличивало численность Lactococcus, Levilactobacillus и Lentilactobacillus - протехнологических бактерий, участвующих в различных процессах ферментации, в том числе при производстве молочных, мясных, растительных продуктов и кормов.
В работе Li P. et al. рассматривалось влияние различных протоколов инокуляции на вкусовые качества традиционного китайского алкогольного напитка (Black Huangjiu). Было обнаружено, что по сравнению с традиционной ферментацией в испытанном протоколе последовательной инокуляции увеличивается содержание нелетучих ароматических соединений (органических кислот и производных) и уменьшается содержание липидов и липидоподобных молекул. Поэтому напиток, сброженный с помощью последовательной инокуляции, обладал более сильным, сладким, мягким и приятным вкусом. Метаболические изменения коррелировали с изменением относительной численности Saccharomyces и особенно Rizhopus, которая в последовательном протоколе была выше. Эти результаты согласуются с результатами предыдущих исследований, проведенных на ферментированных напитках, таких как вино и пиво, которые показали исключительную важность правильного метода инокуляции для повышения вклада различных видов дрожжей в развитие сенсорных свойств конечного продукта.
В этой связи Wang et al. оценили динамику бактериальных сообществ, их метаболические пути и вкусовую продукцию в процессе созревания ферментированной колбасы, инокулированной стартовыми культурами Lactiplantibacillus plantarum и Staphylococcus xylosus. В целом численность и метаболическая активность бактерий в колбасе увеличивалась в процессе созревания, причем наиболее многочисленными родами на всех этапах ферментации были Lactiplantibacillus, Staphylococcus, Lactococcus, Leuconostoc и Weissella. Кроме того, авторы показали, что присутствие Staphylococcus и Leuconostoc связано с образованием ароматических соединений.
Эти результаты свидетельствуют о том, что межвидовые взаимодействия между экзогенными микробными инокулянтами и резидентной микробиотой следует рассматривать в числе (побочных) эффектов микробных заквасок. Как показали авторы, нарушение резидентной микрофлоры в результате добавления закваски привело к доминированию эндогенных микроорганизмов (в их случае Leuconostoc), что оказало существенное влияние на общий вкусовой профиль конечного продукта.
Важность правильного подбора закваски для улучшения процесса ферментации стала основной целью исследования Chen et al. Авторы сконструировали штамм Yarrowia lipolytica для увеличения производства ароматического соединения β-ионона при ферментации пищевых отходов и сахарного жмыха. В частности, активность этих дрожжей привела к самому высокому на сегодняшний день выходу β-ионона при ферментации органических отходов. Авторы предположили, что масштабирование описанного интегрированного процесса может привести к экономически выгодной крупномасштабной переработке несъедобных пищевых и сельскохозяйственных отходов в ценные ароматические соединения. Ожидается, что по мере роста численности населения Земли потребление продуктов питания и образование отходов будут увеличиваться. Таким образом, разработка протоколов и технологий для правильной эксплуатации и валоризации пищевых отходов является одной из ключевых тем глобальных исследований и краеугольным камнем концепции циклической экономики.
Важность правильного мониторинга процессов ферментации при переходе от лабораторных к заводским условиям была подчеркнута в работе Li H. et al., где авторы показали, что при крупномасштабном производстве образцы коджи содержат большее количество грибков, чем при производстве в лабораторных условиях. (Koji – коджи или кодзи варианты названия комплекса амилолитических ферментов расщепляющих крахмал - прим.пер.). Кроме того, химический и летучий состав продукта в большей степени зависел от условий ферментации, чем от используемого стартового штамма. Авторы показали, что химические и биохимические различия, наблюдаемые в образцах коджи, приготовленных с использованием двух разных заквасок в лабораторных условиях, не обнаруживаются в заводских условиях. Это говорит о том, что разработка эффективного процесса ферментации, позволяющего осуществлять крупномасштабный биосинтез ароматических молекул, по-прежнему остается сложной задачей.
Таким образом, в заключение данного обзора следует отметить, что полученные материалы подчеркивают важность правильного подбора штаммов и оптимизации процесса для получения ароматических соединений с помощью биопроцессов. Мы уверены, что статьи, включенные в данный обзор, позволят научному сообществу узнать о современных знаниях и проблемах, которые еще предстоит решить в этой области.
